Повышение эффективности сложения мощностей твердотельных усилителей в выходных каскадах передающих устройств перспективных РЛС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ВЫХОДНЫХ КАСКАДАХ ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РЛС

А.С. Пшеничкин

Акционерное общество

«Научно-производственное объединение

«Лианозовский электромеханический завод»

(АО «НПО «ЛЭМЗ»), Москва, Россия

Рассмотрены основные принципы сложения мощности усилителей в выходных каскадах твердотельных передающих устройств РЛС, приведены результаты измерений в выходных каскадах реальных передающих устройств РЛС.

Ключевые слова: выходные каскады передающих устройств; сложение мощностей усилителей; твердотельные передатчики.

A.S. Pshenichkin

IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE SUMMATION OF POWER OF SOLID STATE AMPLIFIERS IN OUTPUTS CASCADES OF TRANSMITTING DEVICES PROMISING RADARS

The paper describes basic methods and principles of power summation of several amplifiers in output cascades of solid-state radar transmitters and the results of measuring in output cascades of real radar transmitters.

Keywords: solid-state transmitters, output cascades of transmitters, power summation.

Введение

Современный радиолокатор представляет собой сложную радиоэлектронную систему, в которой используются практически все новейшие достижения в области радиоэлектроники, вычислительной техники и устройств СВЧ [1].

Выходная мощность передающего устройства является одним из важнейших параметров, определяющих потенциальные характеристики радиолокационной системы в целом. В зависимости от назначения радиолокационной станции (РЛС) мощность передатчика может меняться от десятков ватт, до десятков мегаватт. Следует особо отметить разницу между средней и импульсной мощностью передающего устройства. Поскольку большинство современных радиолокационных станций использует именно импульсный зондирующий сигнал, то как и следует из названия, излучение происходит только в некоторые промежутки времени, с последующими паузами, предназначенными для приема эхо-сигналов. Величина мощности во время излучаемого импульса называется импульсной мощностью, а величина мощности, усредненная за период повторения зондирующих импульсов - средней. Импульсная и средняя мощность связаны следующим образом:

, (1)

где Q = T_п/_и - скважность, равная отношению периода повторения Т_п к длительности импульса ф_и [2].

Требуемые уровни выходной мощности передатчиков современных РЛС в некоторых случаях на три-пять порядков превышает мощность, генерируемую электронными приборами. Этот разрыв между мощностью радиопередатчика и мощностью единичного генератора стал особенно ощутим при переходе к полупроводниковым приборам [3].

Принципы и схемы сложения мощностей твердотельных усилителей в выходных каскадах

Мощность СВЧ-передатчиков построенных на основе полупроводниковых усилителей в непрерывном режиме работы может достигать нескольких киловатт. В этих случаях требуемое значение выходной мощности передатчика достигается сложением мощностей нескольких идентичных полупроводниковых узлов выходных каскадов [3].

Известны три основных способа суммирования мощностей однотипных генераторов (рис. 1):

* с помощью многополюсных сумматоров,

* путем сложения сигналов в пространстве с помощью активных фазированных антенных решеток (АФАР),

* в общем резонаторе.

Рис. 1. Схемы способов суммирования мощностей в передатчиках: а - с помощью многополюсных сумматоров; б - сложение сигналов с помощью АФАР; в - в общем резонаторе.

мощность твердотельный усилитель радиолокационный

Первый способ сложения мощностей позволяет увеличить мощность радиопередатчика по отношению к мощности одного усилительного прибора (блока, шкафа и пр.) на 15 … 20 дБ; второй - на 30 … 40 дБ; третий - на 10 … 15 дБ.

Остановимся подробнее на особенностях сложения мощности с помощью многополюсного сумматора. Сложение мощности в этом случае происходит в специальном сумматоре, имеющем несколько параллельных входов, число которых соответствующее числу усилителей, чьи мощности следует сложить, и один выход. Входной сигнал поступает от одного задающего генератора, предварительно разделившись в соответствии с числом усилителей. Использование простейших конструкций сумматоров и делителей приводит к значительному снижению надежности работы всего устройства [4]. В частности, авария в одном из усилителей (короткое замыкание или разрыв на выходе) может привести к аварийному режиму работы всех остальных, поскольку нагрузка может стать близкой к нулю или холостому ходу. Поэтому, в современных передающих устройствах применяют более сложную, но в тоже время значительно повышающую надежность работы системы в целом, мостовую схему сложения мощностей. В таких сумматорах каждый усилитель работает самостоятельно на оптимальную для него нагрузку, а режимы работы всех каскадов не зависят друг от друга. При этом повышается надежность работы передатчика, поскольку выход из строя M усилительных каскадов не нарушает работу остальных (N-M), а лишь снижает мощность в передающей антенне. Снижение мощности с P_ном = NP_i до P_ав = [(N - M)²/N]P_i, а не до величины P_ав = (N - M)P_i объясняется тем, что часть мощности оставшихся (N - M) усилителей P_расс = [M(N - M)/N]P_i начинает рассеиваться на балластных сопротивлениях мостовой схемы [3].

По условиям эксплуатации обычно допускается некоторое временное снижение мощности передатчика. Наиболее вероятен выход из строя только одного из усилителей (M = 1), поэтому уменьшение мощности передатчика будет в P_ав/P_ном = (N - 1)²/N² раз.

Принцип работы и свойства мостовой схемы подробно рассмотрены в [4, 5, 6].

Рис. 2. Классическая мостовая схема сложения.

При R₁/R₃ = R₂/R₄ выполняется условие баланса моста, т.е. сигнал с выхода одного усилителя не поступает на выход другого, и усилители работают независимо друг от друга.

КПД моста определяется соотношением:

, (2)

где k - отношение амплитуд; ц - фазовый сдвиг.

На основании этого соотношения можно построить зависимости КПД от k и ц соответственно (рис. 3). КПД мостовой схемы остается высоким даже если токи неточно равны по амплитуде и неточно синфазны.

Рис. 3. Зависимости КПД моста от разности амплитуд и фаз.

Так, в случае различия амплитуд не более 20%, а сдвиг фаз не превышает 40є, КПД снижается только до 0,87, т.е. на балластном сопротивлении R_б теряется 13% суммарной мощности [4, 6].

Следует отметить, что в случае ц = 180 є - противофазной работе двух усилителей - сопротивления R_н и R_б меняются «ролями».

В диапазоне СВЧ наибольшее распространение получили резонансные мостовые схемы.

Четырехполюсники, на которых выполняются мостовые резонансные схемы, обеспечивают поворот фазы на 90є и необходимую трансформацию сопротивлений только на фиксированной частоте (щ₀ = const). Практически полоса пропускания в таких мостовых схемах составляет не более 3 … 5 %. Для расширения полосы пропускания до 10 … 30 % применяют многоступенчатые мостовые схемы с суммированием двух и большего числа усилителей (N = 2, 3, 4, …) либо осуществляют суммирование по два (бинарные сумматоры с N = 2, 4, 6, 8, …).

На рисунке 4 показаны примеры широкополосных мостов СВЧ на четвертьволновых линиях, построенных по многоступенчатой и суммированием по два схемам сложения выходных мощностей при N = 4. В обеих схемах подбираются оптимальные волновые сопротивления отдельных линий, число ступеней, а также сопротивления балластных резисторов в зависимости от числа суммируемых усилителей и требований к полосе пропускания. Коэффициент перекрытия по частоте в таких схемах может достигать K_f = 2 … 4 и выше.

Резонансные мостовые схема, пожалуй, наиболее распространенный способ сложения мощностей в современных передающих устройствах РЛС. За счет своей эффективности, легкости проектирования (особенно при использовании соответствующих пакетов программ для ЭВМ), относительно простого конструирования и технологии изготовления [4, 6].

При суммировании мощностей большого числа усилителей мощности сталкиваются с необходимостью поддержания с определенной точностью амплитуд и фаз суммируемых сигналов. В целом потери при суммировании можно рассчитать с помощью выражения:

, (3)

где - относительное изменение амплитуды падающей волны в i-м канале; ц_i -- отклонение фазы сигнала в том же канале от номинального значения, i = 1...N (рис. 5) [7].

Рис. 4. Схемы суммирования мощностей с помощью широкополосных мостов СВЧ на четвертьволновых линиях: а - многоступенчатые; б - с суммированием по два.

Для сведения к минимуму значения K_n следует поддерживать амплитуды суммируемых сигналов с погрешностью 10...20 %, а фазы -- до 10...20є. Примерно такие же требования предъявляются к параметрам сигналов при их суммировании с помощью ФАР [7].

Рассмотрим результаты практического применения описанных в этой части принципов сложения мощностей отдельных усилителей в выходных каскадах передающих устройств РЛС.

Результаты практического применения

Рассмотрим выходной каскад твердотельного передающего устройства L-диапазона, структурная схема которого представлена на рис. 5. обеспечивающего запрос полетной информации воздушного судна в режимах RBS (3/A, A) и S-режиме, согласно ICAO [8, 9, 10, 11].

Запросный код на заданной частоте (диапазон RBS согласно ICAO) с выхода предварительного усилителя (ПУМ) поступает на делитель мощности (Р/8). С каждого из восьми выходов делителя запросный код поступает на вход соответствующего выходного усилителя мощности (ВУМ). После усиления (~ 26 дБ) мощность всех восьми ВУМов поступает на сумматор. К выходу сумматора подключается фильтр гармоник ФГ, направленный ответвитель НО, ферритовый циркулятор Ц и антенна А.

Делитель мощности и сумматор мощности - одинаковые блоки, разработанные по принципу широкодиапазонного резонансного моста с суммированием (или делением, поскольку в этом смысле блок взаимный) по два (рис. 4б) [4, 5, 6]. Конструктивно блоки представляют собой микрополосковую структуру на подложке, размещенную в металлический фрезерованный герметичный корпус с разъемами входа и выхода, разнесенными на противоположные стороны корпуса.

Рис. 5. Структурная схема выходного каскада твердотельного передающего устройства РЛС.

Использование одинаковых блоков для деления и суммирования позволяет скомпенсировать возможную разность фаз между входами делителя и сумматора, поскольку технология изготовления микрополосковой структуры обеспечивает высокую повторяемость электрических параметров. Соединительные кабели входные и выходные (для 8 усилителей) имеют нормированные требования по допустимой электрической длине (что эквивалентно фазовому набегу) и контролируются при изготовлении. Фазовую характеристику коэффициента передачи каждого усилительного модуля настраивают при регулировке на заводе изготовителе по единому эталону. В таблице 1 представлены результаты обмера данного изделия.

Таблица 1

В результате видно, что потери на суммирование с учетом активных потерь и разбегов фаз в каналах сумматора, соединительных кабелях и модулях ВУМ достигает не более минус 0,56 дБ.

Рассмотрим еще один пример сложения мощностей твердотельных усилителей: выходной каскад передающего устройства посадочного радиолокатора, работающего в Х-диапазоне, с рабочей полосой шириной 4,5%. Структурная схема этого передатчика аналогична предыдущему, но есть интересные особенности. Во-первых, делитель и сумматор мощности реализован на волноводах, во-вторых в состав входного каскада усилителей мощности встроен управляемый фазовращатель.

Применение волноводного сумматора позволило снизить величину его активных потерь до величины, не превышающей минус 0,2 дБ во всей рабочей полосе. Управляемый фазовращатель каждого модуля ВУМ имеет дискрет перестройки фазы 5,625є и диапазон перестройки не менее 345є. Управление осуществляется с помощью автоматической системы контроля и управления (АСКУ) изделия. К направленному ответвителю на выходе передающего устройства подключен термокомпенсированный амплитудный детектор, сигнал которого поступает на АЦП АСКУ. Кроме того, в АСКУ имеется алгоритм, который позволяет при необходимости (регулировка передающего устройства при изготовлении, замена усилительного модуля при эксплуатации и т.п.) измеряя уровень напряжения продетектированного СВЧ сигнала и регулировать фазу каждого модуля, добиваясь сложения мощностей очень приближенного к идеальному. Результаты проведенных измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты измерений подтверждают, что использование систем с возможностью подстройки фазы каждого отдельного усилителя повышает эффективность сложения, одновременно снижая требования к изготовлению соединительных кабелей с точки зрения повторяемости фазовой длины.

Заключение

Таким образом, для эффективного сложения мощностей однотипных усилителей необходимо совершенствовать конструкцию многополюсных делителей и сумматоров, добиваясь минимума потерь, а также принимать меры по выравниванию фазовых характеристик в каждом канале сложения. Для решения второй задачи целесообразно применение систем автоматического фазирования многоканальных трактов усиления.

Литература

1. Ефремов В. С. Новое поколение радиолокаторов управления воздушным движением. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Сер. “Приборостроение”, 2007, № 1. - Сc. 3-8.

2. Верба В. С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Принципы построения, проблемы разработки и особенности функционирования. М.: Радиотехника,2014. - с.528.

3. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб. Пособие /В.И. Нефедов, А.С. Сигов; Под ред. В.И. Нефедова. - М.: Высш. Шк., 2009. - c.735.

4. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и д.р.; По ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. Радиопередающие устройства. - М.: Радио и связь, 2003. - c. 560.

5. Хельзайн Дж. Пассивные и активные цепи СВЧ: Пер. с англ./Под ред. А.С. Галина. - М.: Радио и связь, 1981. - c. 200.

6. Н.А. Малков, А.П. Пудовкин.Устройства сверхвысоких частот: учеб. пособие/ - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - c. 92.

7. Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: Учебное пособие для вузов [Электронный ресурс] -- Электрон. дан. -- Москва: Горячая линия-Телеком, 2011. -- 418 с. -- Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/94573. -- Загл. с экрана.

8. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1 Москва: Техносфера, 2015. - c. 672.

9. ICAO - Doc 9684. Руководство по вторичным обзорным радиолокационным (ВОРЛ) системам. Издание второе - 1998.

10. ГОСТ Р 51845-2001 Системы вторичной радиолокации для управления воздушным движением. Общие технические требования.

11. ITU. Регламент Радиосвязи. Издание 2012 года.

12. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2015. -c. 440.

References

1. Yefremov V. S. “Novoe pokolenie radiolokatorov upravleniya vozdushnym dvigheniem” (New generation of radar air traffic control). // Journal, 2007, No. 1. - Pp. 3-8.

2. Verba V.S. “Aviatsionnie kompleksy radiolokatsionnogo dozora i navedeniya. Printsipy postroeniya, problemy razrabotki i osobennosti funktsionirovaniya” (Aviation complexes of radar surveillance and aiming. Principles of construction, problems of development and features of functioning.). -М: Radiotekhnika, 2014. - p. 528.

3. Nefedov V.I. “Osnovy radioelektroniki I svyazi” (Fundamentals of Radioelectronics and Communication). - М.: Vyssh. shk, 2009. - p. 735.

4. Shahgildyan V.V., Kozyrev V.B., Lyakhovkin A.A. i d.r. “Radioperedayuschie ustroistva” (Radio transmitting devices). Pod. red. V.V. Shahgildyan. - М.: Radio i svyaz, 2003. - p. 560.

5. Helzain J. “Passive and active microwave circuits”, Department of Electrical and Electronic Engineering Herriot-Watt University Edinburgh, UK. Translated and released under the title “Passivnye i aktivnye tsepi SVCh” Pod red. A.S. Galina. - М.: Radio i svyaz, 1981. - p. 200.

6. N.A. Malkov, A.P. Pudovkin. “Ustroistva sverkhvisokikh chastot” (Devices of microwaves) - Tambov: Izd-vo Tamb. gos. tekhn. un-t, 2008. - p. 92.

7. Vorona V. A. “Radioperedayuschie ustroystva. Osnovy teorii I rascheta” (Radio transmitter. Fundamentals of theory and calculation) - M: Goryachaya liniya-Telekom, 2011. - p. 418 -https://e.lanbook.com/book/94573.

8. “Radar handbook” Editor and Chief M.I. Skolnik. The McGraw-Hill Companies, 2008. Translated and released under the title “Spravochnik po radiolokatsii” pod obschei red. V.S. Verby. V 2 knigakh. Kniga 1 Moskva: Tekhnosfera, 2015. - p. 672.

9. International CIVIL aviation organization (ICAO) - Doc 9684. “Rukovodstvo po vtorichnym obzornym radiolokatsionnym (VORL) sistemam” (Guide to secondary surveillance radar (SSR) systems). Izdanie vtoroe - 1998.

10. GOST R 51845-2001 “Sistemy vtorichnoi radiolokatsii dlya upravleniya vozdushnym dvizheniem. Obschie tekhnicheskie trebovaniya” (Secondary radar systems for air traffic control. General technical requirements).

11. International Telecommunication Union (ITU). “Reglament radiosvyazi” (Radio Regulations). - 2012.

12. Bakulev P.A. “Radiolokatsionnye sistemy” (Radar systems). - М.: Radiotekhnika, 2015. - p.440.

Размещено на Allbest.ru